2. Алмаз і його властивості алмазу

Алма́з (від араб. ألماس, ’almās — нездоланний), рос. алмаз, англ. diamond; нім. Diamant) — звичайно безбарвний прозорий мінерал класу самородних неметалів, тверда кристалічна кубічна форма вуглецю. Відноситься до дорогоцінних каменів, є найтвердішою з відомих речовин (твердість 10 за шкалою Мооса). Алмази можуть бути як природними, так і синтетичними. Промислові алмази завдяки своїй надзвичайній твердості використовуються для шліфування, свердління і різання, буріння твердих гірських порід, обробки твердих металів і їх сплавів тощо.

Колір безбарвні і блакитного, жовтого, синього, зеленого та чорного кольорів

Форма кристалів октаедри, куби, тетраедри

Спайність довершена по {111}

Злам раковистий

Твердість за шкалою Мооса 10

Блиск алмазний

Прозорість прозорий до непрозорого

Найбільші родовища алмазу розташовані в Південній Африці та в Якутії. Щорічний світовий видобуток алмазу становить приблизно 300 кг. В останні роки алмаз почали одержувати штучно при дуже високих тисках і високій температурі.

Ограновані ювелірні алмази в Україні називають діамантами.

Історичні відомості

Адама́нт — стара назва алмазу. В науковій літературі українською мовою під назвою «адамант» вперше описаний в лекції «Про камені та геми» Прокопович Феофан, яка була прочитана в Києво-Могилянська академія в 1705—1709 рр.

На думку давніх індусів алмази утворюються з п'яти начал природи: землі, води, неба, повітря і енергії. При цьому алмази поділялися на чотири класи (варни): брахмани (безколірні і білі, шестивершинні); кшатрії (камені з червоним відтінком); вайшьї (зеленуваті); шудри (сірі і чорні).

Легенди та повір'я пов'язані з алмазами описав Пліній Старший у «Природній історії викопних тіл».

В середні віки були створені спеціальні книги про походження, магічні і цілющі властивості різних каменів — лапідарії. Алмаз вважався каменем мужності, твердості, дарував перемогу над ворогами, гостроту розуму, охороняв від журби та чаклунства, злих духів.

На ранньому періоді історії розробки алмазних родовищ в Південній Африці вважалось вигідним розводити домашню птицю. Птахи порпались у відвалах гірських виробіток і, побачивши блискучі зерна, проковтували їх. Зоб кожної зарізаної птахи уважно оглядали, сподіваючись побачити дорогоцінний кристал. Так зобі одного голуба, вбитого на території алмазного родовища, було виявлено 23 алмази масою 5,5 карата. В Російських газетах ІІ половини XIX ст. повідомлялось про уральську курку, яка «знесла» діамант.

Підробки діамантів, які зовнішньо важко було відрізнити від справжніх каменів, виготовлялися з свинцевого скла з кін. XVIII ст. Вони відомі під назвами «стрази» і «тетовські діаманти»

Структура алмазу

Елементарна комірка просторової кристалічної ґратки алмазу є гранецентрований куб з 4 додатковими атомами, розташованими в середині куба. Розмір ребра елементарної комірки а0=0,357 нм (при t=25О oС і Р=1 атм). Найкоротша відстань між двома сусідніми атомами с = 0,154 нм. Атоми вуглецю в структурі алмазу утворюють міцні ковалентні зв'язки з чотирма сусідніми атомами, направлені під кутом 109o28' відносно один одного. Алмаз — найтвердіша з відомих у природі речовин.

Морфологія алмазу

Кристали мають форму октаедра, ромбододекаедра, куба і тетраедра з гладкими і пластинчато-східчастими гранями або округлими поверхнями, на яких розвинені різноманітні акцесорії. Характерні пласкі, довгасті та складні кристали простої і комбінованої форм, двійники зростання і проростання, паралельні і довільно орієнтовані зростки.

Хімічний склад

У А. присутні домішки Si, Аl, Mg, Са, Na, Ва, Mn, Fe, Cr, Ti, В, Н, N, O, Аг та ін. елементів. Азот є гол. домішкою, що найбільше впливає на фіз. властивості А. Кристали А., непрозорі до УФ випромінення, називаються А. І типу; всі інші належать до типу II. Вміст азоту в переважній більшості кристалів А., що належать до типу І, складає близько 0,25 %. Рідше зустрічаються безазотні А., що належать до типу II, в яких домішки азоту не перевищують 0,001 %. Азот ізоморфно входить в структуру А. і утворює самостійно або в сукупності із структурними дефектами (вакансіями, дислокаціями) центри, відповідальні за забарвлення, люмінесценцію, поглинання в УФ, видимій, інфрачервоній і мікрохвильовій областях, характер розсіювання рентгенівських променів та ін.

Фізичні властивості

Форма зерен. Більша частина алмазів зустрічається в природі у вигляді окремих добре сформованих кристалів або їх уламків. Переважають октаедри, ромбододекаедри та куби, а також їх комбінації. Це кристали з рівними плоскими гранями. Іноді зустрічаються кривогранні, округлі кристали, в деяких родовищах вони навіть переважають. Часто кристали алмазу зростаються, або ніби проростають один в одного, утворюючи відповідно так звані двійники зростання і проростання.

Крупність зерен. Зазвичай розміри алмазних зерен — від часток міліметра до 0,5–1 см в поперечнику, але зустрічаються і дуже крупні кристали.

Густина А. — 3,5-3,53 г/см3. А. можуть бути безбарвними або з ледве помітним відтінком, а також яскраво забарвленими в жовтий, коричневий, рожево-бузковий, зелений, блакитний, синій, молочно-білий і сірий (до чорного) кольори. При опроміненні зарядженими частинками А. набуває зеленого або блакитного кольору. Зворотний процес — перетворення забарвленого А. в безбарвний — досі не вдалося провести. Поверхня алмазів з найдавніших родовищ (вік яких перевищує 1 млрд. років) має зелене забарвлення, яке зникає при механічній обробці кристалу.

Більшість природних алмазів безбарвні, але бувають камені найрізноманітніших кольорів та відтінків. Найчастіше зустрічаються алмази зі слабким жовтуватим відтінком, а також зеленкуваті. В родовищах Південної Африки трапляються бурі алмази; за рахунок значних домішок аморфного вуглецю вони можуть набувати цілковито чорного кольору. Рожеві, рубіново-червоні та сині алмази дуже рідкісні. Щодо алмазів сапфірово-синього кольору, то це — явище виняткове, і цінуються вони дуже високо.

Блиск. Заломлення світла. Люмінесценція. Для А. характерні сильний блиск, високий показник заломлення (n=2,417) і сильно виражений ефект дисперсії (0,063), що зумовлює різнокольорову гру світла в діамантах. Як правило, в кристалах А. виявляється аномальне двопроменезаломлення через напруження, яке виникає у зв'язку зі структурними дефектами і включеннями. Кристали А. прозорі; напівпрозорі або непрозорі в залежності від насиченості мікроскопіч. включеннями графіту, інш. мінералів і газово-рідких вакуолей. При освітленні УФ променями значна частина прозорих і напівпрозорих кристалів А. люмінесціює синім, голубим і рідше жовтим, жовто-зеленим, оранжевим, рожевим і червоним кольорами. Кристали А. (за рідкісним винятком) люмінесціюють під дією рентгенівських променів. В А. проявляється також електро-, трибо- і термолюмінесценція.

Міцнісні сластивості. Відносна твердість А. за шкалою Мооса 10. А. дуже крихкий, має довершену спайність по грані (111). Модуль Юнга 0,9 ТПа.

Змочуваність. Чиста поверхня А. має високу гідрофобність (крайовий кут — 105—104o), але в природних умовах А. покривається тонкими плівками, що підвищують його гідрофільність. Алмаз з чистою поверхнею гідрофобний, тобто не змочується водою.

Використання

Використовують А. для виготовлення, абразивних та різальних інструментів, при бурінні, в ювелірній справі (див. діамант). Вагу А. вимірюють каратами.

Алмази в Україні

За останніми дослідженнями в Україні виявлені дві перспективні ділянки щодо знаходження алмазоносних кімберлітів, які розташовані у Сх. Приазов'ї (Донеччина, Тельманівський район та ін.) і на Волині (Рівненщина, с. Кухотська воля).

Різновиди алмазів та найбільш відомі алмази

Відомі такі алмази:

алансонський (кварц димчастий);

«Альєнде» (125 каратів, знайдено в Якутії 1973 року);

арканзаський (дрібні, прозорі з сильним блиском кристали гірського кришталю з родовищ штату Арканзас, США);

богемський (1. Дрібні, прозорі з сильним блиском кристали гірського кришталю з Чеського масиву. 2. Торговельна назва кришталю гірського з Чехії);

бріансонський (дрібні, прозорі з сильним блиском кристали гірського кришталю з околиць м. Бріансона, Франція);

брістольський (дрібні, прозорі з сильним блиском кристали гірського кришталю з англійських родовищ);

«Валентина Терешкова» (прозорий з незначним жовтим відтінком, 51,66 карата, знайдено 1963 року в Якутії, названо на честь першої жінки космонавта Валентини Терешкової);

«Варгас» (726,6 карата, з Бразилії);

«Великий герцог Тоскани» (те саме, що алмаз «Флорентієць»);

«Великий Могол» (первісна назва алмазу «Орлов»);

«Гірник» (44,62 карата, знайдений у 1966 у Якутії);

«Гоппе» (густо-синього кольору з Індії вагою 44 карати);

«Де-Бірс» (з жовтуватим відтінком, 428,5 карата, знайдено 1888 року на копальні «Де-Бірс», Південна Африка);

«Джонкер» (726 каратів, знайдено 1934 року на копальні «Прем'єр» у Південній Африці);

Дютойтспан (великий алмаз вагою 253,7 карата з Південної Африки).

«Ексцельсіор» (995,3 карата, знайдено 1893 року на копальні «Ягерсфонтейн» у Південній Африці);

жовтуватий (те саме, що алмаз капський);

«Зірка Африки» (те саме, що алмаз «Кулінан»);

«Зірка Півдня» (те саме, що алмаз «Південна зірка»);

«Імператор» (457 каратів, з Південної Африки);

«Кайєннський» (дрібні, прозорі з сильним блиском кристали гірського кришталю з родовища Кайєнн, Швейцарія);

капський (з Капської області, Південна Африка);

кілікранський (безбарвний топаз із Тасманії);

«Коїнур» (те саме, що алмаз «Кохінур»);

корнуольський (алмази з околиць Корнула, Індія);

«Кохінур» (з Індії, відомий з 1304 року, 793,5 карата; після першої огранки мав 186,1 карата, після другої — 106,1 карата);

«Кулінан» (найбільший з відомих алмазів з первинною вагою 3106 каратів, знайдено 1905 року на копальні «Прем'єр» у Південній Африці);

лейк-джорджський (дрібні, прозорі з сильним блиском кристали гірського кришталю з околиць міста Лейк-Джордж, штат Нью-Йорк, США);

ліппський (з околиць м. Ліпова — колишнє м. Ліппа, Румунія);

«Літній» (46,36 карата, знайдено 1966 року в Якутії);

«Марія» (з родовищ Якутії-Сахи, 105,88 карата);

мармароський (те саме, що діамант мармароський — гірський кришталь, що трапляється у Східних Карпатах);

матарський (торговельна назва циркону з родовища Матара, о. Шрі Ланка);

медокський (дрібні, прозорі з сильним блиском кристали гірського кришталю з родов. округа Медок, Канада);

Надія (найвідоміший кольоровий діамант, 45,52 ct вагою синій діамант. З Індії, де був найдений, його привіз Ян Баптист Таверньєр 1642 році)

невадський (штучно знебарвлений обсидіан з родовища штату Невада, США);

«Орлов» (алмаз) (прозорий з ледве помітним зеленувато-синюватим відтінком; в ограненому вигляді 194,8 карата; знайдений у Голконді, Індія на початку 17 ст.; первісно — 400 каратів);

«Південна зірка» (в ограненому вигляді 125,5 карата, знайдено 1853 року в Бразилії, до огранки — 254,5 карата);

«Пітт» (те саме, що алмаз «Регент»);

«Регент» (в ограненому вигляді 136,9 карата, знайдений в 1701 р. в Індії);

рейнський (торговельна назва гірського кришталю з Німеччини);

сибірський (дрібні, прозорі з сильним блиском кристали гірського кришталю з родов. Уралу і Сибіру);

сірчистий (зайва назва піриту);

«Сталінградський» (з Якутії, 166 каратів);

східний (застаріла та торговельна назва безбарвного корунду);

«Тайлор –Бартон» «Taylor — Burton»

«Тіффені» (оранжево-жовтого кольору вагою в ограненому вигляді 128,5 карата; знайдений у 1878 році на родов. Кімберлі, Півд. Африка);

уральський (народна рос. назва гірського кришталю або топазу);

«Флорентієць» (вагою в ограненому вигляді 133,2 кар.; знайдений в 1878 р. у родов. Кімберлі, Півд. Африка);

херкімерський (дрібні, прозорі з сильним блиском кристали гірського кришталю з округу Херкімер, шт. Нью-Йорк, США),

чорний (відміна алмазу з блискучими крапками, яка важче піддається шліфуванню, ніж звичайний алмаз),

шаумберзький (дрібні, прозорі з сильним блиском кристали гірського кришталю з околиць Шаумберґа, Німеччина);

«Шах» (після огранки мав 88,7 карата; знайдений в Індії в кінці 16 ст.; первісна вага 95 кар.);

«Ювілейний» (650,8 карата, знайдений в 1895 році на родовищі Яхерсфонтейн, Півд. Африка; вага після огранки 245,3 кар.).

«De Beers Millennium Star» (Зірка тисячоліття) (після лазерної обробки — 203 каратний діамант грушевидноої форми).

«Сторічний» (виявлений в липні 1988 року — на 100-річний ювілей відомої алмазодобувної і обробної фірми De Beers. У первинному вигляді важив 599,10 карат).

Тема 3. Технічні вимоги до обладнання для обробки алмазу та до алмазної сировини. Технічні вимоги до устаткування, інструментів. Підготовка обладнання до роботи. Вимоги до алмазних заготовок. Дослідження напівфабрикатів перед обробкою.

Обробка алмазів у діаманти з точки зору технології виробництва не є складною, проте це надзвичайно важкий людську працю. Основні операції залишаються практично незмінними протягом кількох сотень років і виробляються вручну. Проте всі вони постійно вдосконалюються в напрямку підвищення продуктивності обробки алмазів і якості виготовлених діамантів, а також у напрямку створення нових форм і типів огранювання. При обробці алмазів необхідно спиратися на спеціальні знання, мати терпіння, посидючість і ні в якому разі не поспішати з прийняттям рішення щодо того чи іншого майбутнього діаманта. Рішення, як слід огранити алмаз, приймається на підставі його природної форми, при цьому слід враховувати внутрішню кристалічну структуру каменю, включення і вади, тому у виробництві діамантів постійно доводиться робити вибір між максимально великим розміром і максимально високою якістю діаманта. Строгих правил на цей рахунок не існує. Тим не менш, всупереч усім складнощам з-під рук огранщика повинен вийти діамант ідеальної огранки. Під технологією обробки алмазів у діаманти маються на увазі послідовне виконання певних операцій з кристалами алмазів. До числа таких операцій відносяться: передвиробничої дослідження кристалів алмазів, їх розмітка, розпилювання (розколювання), подшліфовка (груба обдирання), обдирання (обточування), ограновування, полірування, промивка і оцінка. У міру розвитку науково-технічного прогресу і вдосконалення ограночного обладнання утримання самих операцій може змінитися, але суть і назву їх, напевно, залишаться колишніми. Поки головним технологічним принципом залишається те, що алмаз обробляється тільки алмазом, хоча в практику їх обробки вже давно впроваджені лазерні установки, більш ефективно виконують деякі операції. Передвиробничий аналіз виконується з метою визначення технологічної спрямованості обробки алмазів. Тут йде сортування за формою майбутніх діамантів, визначаються кристали на розпилювання (одноразове або багаторазове), розколювання або на подшліфовку; визначаються особливості кожного кристала, виявляються напружені і дефектні кристали, характер і розташування природних дефектів і т.п. По суті, на стадії передвиробничої аналізу робиться прогноз ваги готового діаманта, основних геометричних параметрів, оціночних характеристик і вартості майбутнього діаманта. Сьогодні на ограночного фабриках нового покоління використовують сучасні технології при аналізі, оптимізації та плануванні огранювання алмазів. Оцінити можливість алмазу і спланувати його обробку технологу (огранщика) допомагають комп'ютерні системи з моделювання ограновування діаманта. Система робить миттєвий аналіз сирого алмазу і показує, яким чином з нього можна отримати оптимальний діамант. Далі після вибору способу (форми) ограновування можна задати параметри з нанесення лазерної розмітки. Розмір діаманта - надзвичайно важливий чинник цінності та вартості готового каменю, тому втрата ваги на кожній стадії ограновування і поліровки ретельно відстежується технологом (огранщиків) контролюючим процес обробки. При розмітці на кристал наносяться лінії, що утворюють площину розпилювання або розколювання, а в разі подшліфовкі - нанесення площини площадки діаманта. Головна мета розмітки - отримати діамант або поєднання діамантів з максимальною вартістю. У процесі розпилювання або розколювання кристал алмазу розділяється на частини, які за задумом технолога або розмітника обумовлюють оптимальне використання алмазного сировини. При цьому нерідко віддаляються природні дефекти алмазу, що підвищує вартість майбутніх діамантів. Сам технологічний процес досить трудомісткий і складається з декількох послідовно виконуваних операцій, які вимагають уваги та виключної акуратності. Від того, як будуть виконані ці операції, багато в чому залежать подальшаробота з отриманими напівфабрикатами і кінцевий вихід діамантів.

Розпилювання алмазів

Процес подшліфовкі (груба обдирання) - це зняття зайвої маси кристала. Дана операція використовується при обробці кристалів неправильної форми і уламків кристалів, коли їх не можна або недоцільно розпилювати або розколювати. У результаті подшліфовкі отримують заготовку (напівфабрикат), придатну для використання в операціях попереднього нанесення граней і обдирання. Зазвичай ця операція починається відразу після передвиробничої аналізу, але може виконуватися і після розпилювання або розколювання складних за формою кристалів. Обдирання алмазів вважається однією з найбільш відповідальних операцій у всьому технологічному циклі виготовлення діамантів, від якої багато в чому залежить коефіцієнт використання алмазного сировини. Під час обдирання (обточування) виготовляється базова форма майбутнього діаманта. Обдирання може проводитися в один етап чи в декілька, коли вона поділяється на чорнову і чистову. Якість огранювання - це один з найбільш істотних параметрів при оцінці діаманта. Ограновування алмазу, тобто нанесення граней - фацетов під певним кутом відносно один одного, дозволяє алмазу максимально заломлювати світлові промені. Фацет отримують шляхом тертя об шліфувальне колесо (алмазний диск), а в якості шліфувального агента застосовується лляне масло. Спочатку знімається великий гладкий фацет на вершині каменю - майданчик. Потім наносяться основні грані знизу і ця конусоподібна частина називається павільйон. Далі точаться фасет на верху - це корона. Потім наносяться додаткові грані на павільйоні, далі знову на короні. Кожен фацет вимагає дотримання точних розмірів, форми та кута. Камінь також обводиться гранованим пояском - рундіста, а внизу, у найнижчій частині павільйону, з'являється Калетті (шип), паралельна майданчику. Власне ограновування - це нанесення на опудало на заготівлю майданчики, граней і клинів у певній послідовності з дотриманням основних параметрів на огранювання.

Ограновування алмазу - нанесення основних граней низу

Шліфування   Шліфувати алмази можливо тільки за допомогою алмаза, і тільки тому, що алмаз має різну твердість на різних кристалічних поверхнях і в різних напрямках. Тому потрібно заздалегідь проводити точні дослідження, щоб потім використовувати відмінності у твердості при шліфуванні. Алмазний порошок, який, згідно статистичної ймовірності, також завжди містить дуже тверді частинки, може, таким чином, відшліфувати менш тверді поверхні алмазного кристала.

Техніка шліфування вимагає дуже великого досвіду. На горизонтально обертовому сталевому колі діаметром близько 30 см, покритому алмазним порошком і маслом, шліфуються грані алмазу, який затиснутий кліщовим захопленням (направляючої гільзою), при швидкості 2000-3000 оборотів в хвилину. Розташування поверхонь граней і напрямок кожного кута досвідчений огранник, незважаючи на наявність інструментів, контролює на-віч з допомогою лупи. Індивідуальний підхід огранщика особливо цінний. Ограновування алмазу в один карат триває близько 5-7 годин. Тим часом для дрібних алмазів є механічні пристосування для нанесення окремих граней, проте автоматичні верстати використовуються вкрай рідко. У Росії з початку 70-х рр.. діаманти відмінної якості шліфуються на автоматичних верстатах без урахування втрат. Втрата матеріалу при огранювання алмазів велика. Вона складає в середньому 50-60%. При ограновуванню «Куллінана» вона склала навіть 65%. Утворений при шліфуванні алмазний порошок збирається і використовується потім для інших шліфувальних операцій Операції ограновування і поліровки суміщені і проводяться на одному і тому ж ограночного диску, частини якого шаржований різних за розмірами алмазним порошком (пастою). Власне ограновування - це нанесення на опудало на заготівлю майданчики, граней і клинів у певній послідовності з дотриманням основних параметрів на огранювання. Полірування забезпечує високу чистоту поверхні діаманта і, отже, високе значення коефіцієнта відображення світла від його поверхні. Операції ограновування і поліровки - найбільш трудомісткі і відповідальні в загальному технологічному процесі виготовлення діамантів.

Огранювання та полірування діаманта

Промивання діамантів - це завершальний етап у виробничому циклі їх виготовлення. Мета промивки - видалити виробничу бруд і масла з поверхні діаманта. Промивання складається з декількох послідовно виконуваних операцій. При цьому використовується миючий розчин на основі концентрованої сірчаної кислоти з додаванням певної кількості азотно-кислого калію, дистильована вода і чистий спирт. Спочатку діаманти кип'ятять в миючому розчині, який видаляє залишилися масла і бруд, а потім їх багато разів промивають у дистильованій воді і сушать спиртом. Тільки тоді діаманти виходять чистими і набувають свій товарний вигляд. Подальша оцінка діамантів полягає у визначенні їх маси в каратах, проведенні сортування за розмірно-вагових груп і формі ограновування, у визначенні групи кольору і групи дефектності та якості фінішної обробки відповідно до російської галузевої класифікацією або однієї з міжнародних класифікацій. Оцінка проводиться експертами.